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掺铒光纤激光器

掺铒光纤激光器

2011年1月14日

目录

1、设计背景……………………………………………………..

（2）

1.1激光器的历史………………………………………………………

（2）

1.2激光器的原理……………………………………………………....

（2）

1.3激光器的产生和发展………………………………………………（3）

1.4激光器的应用……………………………………………………….（3）

2、方案论证………………………………………………………（4）

3、环形腔掺铒光纤激光器的制作……………………….……（7）

3.1实验原理…………………………………………………….……….（7）

3.2泵浦源及其选择…………………………………………..………（8）

3.3光纤环形谐振腔…………………………………………….………（8）

3.4熔接………………………………………………………………….（9）

4、掺饵光纤激光器的P-I特性分析………………………….（11）

5心得体会……………………………………………………….（14）

参考文献………………………………………………………….（15）

掺铒光纤激光器制作

一、设计背景

1.1激光器的历史

　激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。

它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至X射线和γ射线）的能力。

激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平[1]。

激光器的诞生史大致可以分为几个阶段，其中1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。

这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。

这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。

20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。

这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。

1.2激光器的原理

除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。

激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。

激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。

工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。

激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。

而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔[2]。

1.3激光器的产生和发展

1954年，美国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器，成功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。

汤斯等人研制的微波激射器只产生了1.25厘米波长的微波，功率很小。

生产和科技不断发展的需要推动科学家们去探索新的发光机理，以产生新的性能优异的光源。

1958年，汤斯与姐夫阿瑟·肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键性建议，并预防了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。

同期，巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案[3]。

1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。

他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。

这就是第一台红宝石激光器。

此后，陆续有科学家制造出了各种激光器，比如1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。

1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器，激光器的发展变的快速起来[4]。

1.4激光器的应用

正由于激光器具备的以上种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。

比如，人们利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工，能够做到在一个针头上钻200个孔；激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在医疗、农业的实际应用上取得了良好效果；在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆，可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量；激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。

随着人类对激光技术的进一步研究和发展，激光器的性能将进一步提升，成本将进一步降低，但是它的应用范围却还将继续扩大，并将发挥出越来越巨大的作用。

二、方案论证

因为时间和实验设备的关系，不能做太复杂的激光器，而环形腔激光器相对比较简单，其中最重要的器件就是光纤放大器。

20世纪80年代光纤放大器的出现解决了以下两种影响信号传输的问题：

第一，由于吸收散射等各种因素的影响，光纤中存在一定的损耗，使得在传输过程中光信号的幅度越来越小，从而限制了光纤通信系统的传输距离。

第二,由于光纤宽带的限制,光脉冲的宽度在传输过程中愈来愈宽,

从而限制了光纤通信系统特别是大量光纤通信传输系统的传送距离[5]。

光纤放大器中可分为半导体放大器、非线性光纤放大器、掺杂光纤放大器（包括掺铒光纤放大器）等。

根据光纤放大器种类的不同，本实验设计了三种环形腔激光器的实验方案。

方案一：

使用半导体放大器

半导体光放大器（SOA）是光子引起的受激辐射与放大，半导体光放大器体积小，功耗低，能与其他半导体光电子器件集成，价格适中[6]。

但是,SOA中载流子较长的恢复时间以及转换过程中消光比退化严重,这制约了SOA在高速信号处理中的运用[7]。

方案二：

用非线性光纤放大器

这是一种固体激光放大器。

其工作原理是利用光纤的非线性效应，对光纤注入泵浦光，使声子数目增加，当有信号激光通过此光纤时,其中的声子与光子相互作用，使得光子数量增大——放大了信号激光。

作为增益介质的光纤可以是常规的传输光纤,也可以是特殊设计的光纤,如色散补偿光纤等。

由于这类放大器独特的性能,如噪声低、增益带宽大、可以分布式放大等[8]。

方案三：

用掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器（EDFA）是在光纤中掺入适量的铒稀土离子，以之作为增益介质来实现光放大的一种新型放大器。

EDFA由掺饵光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器及光滤波器及电源和电子控制部分组成,如图1所示[9]。

图1EDFA的结构简图

光耦合器将信号光和泵浦光合路进入EDF,要求在信号光和泵浦光波长的插入损耗都小而且对偏振不敏感。

光隔离器是为抑制光反射，使光放大器工作稳定，隔离度应优于40dB，而且插入损耗小，与偏振无关。

光滤波器用来消除放大器的自发辐射以降低噪声。

图1是EDFA的一种基本结构。

从图中看到,在这种结构中,泵浦光是从信号输入端泵入EDF的，因此又叫前向泵浦EDFA。

实际上,从泵浦光泵入EDF的情况还有另外两种结构,如图2所示。

图2EDFA的后向泵浦和双向泵浦结构简图

掺铒光纤放大器（EDFA）的工作波长为1550nm，与光纤的低损耗波段一致，是最具有吸引力和最为成熟的光纤放大器．它具有如下优点：

（1）EDFA的信号增益谱很宽，达30rim（每nm折合125GHz）或更高，可用于宽带信号的放大，尤其适合于密集波分复用（DWDM）光纤通信系统。

（2）光纤放大器可以用来控制现有通信网络的带宽利用率。

（3）EDFA具有较高的饱和输出功率（10～20dSm），可用作发射机后的功率放大，提高无中继线路传输距离或分配的光节点数。

网络设计者通过选用大功率的光纤放大器可以使系统具有足够的富裕度，为以后的发展预留足够弹性。

（4）EDEA与光纤线路的耦合损耗小（

（5）EDFA具有较低噪声（4～8dB）。

（6）增益与光纤的偏振态无关，故稳定性好。

（7）驰豫的时间很大（约10ms）．

（8）所需的泵浦功率低（数十毫瓦）．

但是EDFA也有固有的缺点：

（1）波长固定，只能放大1．55μm左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素。

（2）增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿[10]。

经比较后，可知掺铒光纤放大器更满足实验需要。

三、环形腔掺铒光纤激光器的制作

3.1实验原理

本实验的原理图如下所示：

图3实验原理图

受激辐射产生的光子与引起辐射的光子处于同一光子态，且具有很高的简并度。

因此，在一定条件下，可以通过受激发射获得方向、单色性和相干性好而且高亮度的光，即激光。

但是原子体系与辐射场的作用过程中，原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程同时存在，要产生激光输出，首先必须设法使受激辐射在三种过程中占优势。

假定在某物质中，对应能及E2和E1（E2>E1）的单位体积内的原子数分别为N2和N1。

在热平衡条件下，各能态的集居态呈波尔兹曼分布，E2E1，该物质的受激辐射作用大于受激吸收，就可以产生更多的光子通量而作为光放大器。

通常把这种高能级上的粒子数E2大于能级上的粒子数E1的分布态称为粒子数反转。

而把具有粒子数反转这种状态的物质称为激光工作物质。

只有在外部激励或泵浦的作用下，才能使物质处于粒子数反转状态，因此，泵浦源是形成激光的一个必要条件。

在泵浦源的作用下，激光工作物质发生粒子数反转，沿轴向传播的光由于受激辐射作用得到放大。

在这个过程中，工作物质越长，光子通量增加越多，光增益越大，但是工作物质的长度不能无限增长，为了让有限长度的工作物质得到充分利用，通常把它置于光学谐振腔内。

在光学谐振腔内，沿轴线方向传播的光可以在两反射镜之间往复传播。

在这个过程中一遍传播一遍激发高能级上的电子跃迁到低能级上发光。

这种由于光学谐振腔二产生的往复传播作用，相当于延长了激光工作物质的长度，从而使其中的光能密度不断增加，这样可以使受激辐射的概率远远大于自发辐射的概率，从而使沿光学谐振腔轴线传播的光，在粒子数反转分布的条件下，受激辐射占了绝对优势。

3.2泵浦源及其选择

使激光工作物质达到粒子数反转的外界能源称为激励源，也称泵浦源。

泵浦源是产生激光的三个基本条件之一，泵浦源的泵浦效率、使用寿命、体积和价格都会直接影响激光器的最终性能，泵浦源的选择对激光器的研制具有决定性的影响。

光纤激光器泵浦源的选择标准时：

泵浦效率高。

泵浦效率影响泵浦光功率的提高，泵浦功率越高，所得到的调协范围越大。

激发态吸收（ESA）要小。

激发态吸收是指处于上能级的电子吸收泵浦能量后向更高能级跃迁的一种物理过程，是一种能量的消耗，激发态吸收式掺铒光纤激光器和放大器中影响泵浦效率的重要因素，会对激光的产生和放大产生不利影响。

实验表明，发射波长为980nm的半导体激光器是掺铒光纤放大器的最佳泵浦源[11]，所以本实验我们选取980nm的泵浦源.

3.3光纤环形谐振腔

光纤环形谐振腔是本文采用的激光器谐振腔结构，也是一种常用到的谐振腔结构，WDM的两端连接在一起形成了环形腔，环内接入掺饵光纤（EDF），插入隔离器（ISO）就可以构成一个简单的环形腔激光器，如图7所示。

图4环形腔掺饵光纤激光器基本结构

光纤环形腔的优点是可以不使用反射镜，构成全光纤谐振腔，结构简单。

除此之外，通过在光纤激光器的环形腔中插入隔离器可以迫使激光器运行在行波工作状态。

与大多数F一P腔工作在驻波状态不同，行波工作状态可以避免空间烧孔效应。

因此，在没有滤波器的情况下，通常环形腔结构比线形腔结构在输出功率及输出激光频率方面更稳定。

同时，环形腔结构对掺饵光纤增益的利用效率更高且谐振腔纵模间隔是线形腔的两倍。

另外，光纤环形腔的显著特点是谐振腔内可接入多种光纤器件（光纤光栅，光纤滤波器等），尽管这些器件有很高的回光反射，但通过使用光隔离器可以消除反射光的影响[12]。

3.4熔接

由于本次实验的布拉格光栅是上次我们实验时做的，其在本次实验中起到滤波的作用。

它只是一根光秃秃的光纤，没有接头，这样就不能与耦合器连接，所以我们要在这条光纤上熔接一个接头。

以便连接成一个环形腔。

1、将两端光缆的纤芯安装在光缆接头盒内，并进行余纤盘留后将光纤擦试干净。

2、光纤的准备

a.用光纤剥线钳一次性剥除30mm–40mm的光纤被覆

b.用蘸有酒精的纱布擦净光纤，除掉光纤表面的被覆残留

c.使用专业的光纤切断工具切断光纤（14–16mm）。

切断后立即放入融接机的V形槽内。

步骤如下：

打开防风盖，打开光纤夹持器，将光纤放入离电极的中心位置并放下光纤夹持器，使光纤固定（在放光纤时不要使光纤端面与熔接机相碰，以免影响光纤端面的质量）。

以相同的方法处理另一根光纤。

关闭防风盖，并确认光纤从防风盖两侧的缺口中伸出。

3、开始自动融接

融接方式设定完毕、光纤放置好后，可进入自动融接操作。

a.防风盖关闭，且屏幕显示“接续模式”及“自动”时，按SET开始自动融接。

b.融接机高速调整纤芯位置，LCD监视屏幕显示放大后的融接图象。

c.融接机自动进行图象检查、光纤对准及融接操作，同时显示一系列的操作信息提示。

d.在“自动方式”下，融接机显示以下信息提示：

●光纤间距调整—调整光纤端面间的距离

●聚焦—调节放大至280倍图象的焦距

●清灰—瞬间电弧放电清除光纤端面灰尘

●光纤端面检查—检查光纤切断角度及清洁

●画面切换—X、Y画面瞬间互换

●对芯或对外径—在X和Y画面下对准光纤纤芯或外径

●电弧放电—高温熔化光纤端面，推进并进行光纤接续

●检查—利用高清晰度纤芯直视法检查X和Y画面中的融接结果。

●推定损耗—以百分位显示推定损耗及观测误差。

四、掺铒光纤激光器的P-I特性分析

按照上述原理图，连接好实物，如图5。

调节电流，观察频谱仪，记录实验数据到表1。

图5实物图

图6透射图图7反射图

图8I=2.91mA时图9I=3.00mA时

图10I=3.25mA时图11I=3.45mA时

图12I=3.6mA图13I=3.68mA

图14I=3.90mA图15I=4.80mA

图16I=5.20mA图17I=5.80mA

图18I=7.00mA图19I=10.90mA

图18P-I特性曲线

由实验可得，2.6mA时，980出现放大，2.8mA时，1550出现放大，3.4mA时，出激光。

五、实验心得

这次实验做的比想象的艰难，本以为最多一天能搞定的，居然花了两天，而且还加班加点了，委实意外。

那熔接机左半显示屏在熔接时总是很模糊，一直熔不上。

没有熔接，就做不下去，费了好大的劲才把熔接机搞好。

不过，这次实验真的一波三折，好不容易熔接机好了，但那掺铒光纤放大器却又是不能调节了，这个控制很简单，但就是不能正常使用。

而且，不知怎么的，就一下子高电压，就把F-P腔给烧坏了，导致不能滤波了，所以只能采取替换方法。

磕磕碰碰，激光还是出来了，但是不是很理想，所以，最后还是重做了，真是坎坷。

不过，这也让我学到了更多的知识，这次的实验总体来说还是简单的，一些仪器上学期都接触过，像熔接机，频谱仪等，因为F-P腔烧坏了，所以采用了我们上次做的光纤光栅。

做实验真的一点都马虎不得，一些微不足道的小差错就可能导致实验的失败，尤其是光学实验，这次实验让我深刻的体会到了这点。

这次实验的成功，是大家共同的努力，非常感谢在实验中帮助我的老师、学长和同学，当然还有把我送来这读书的父母。

都是他们的帮助才能有成功的实验，非常感谢！

参考文献

[1]漫谈激光器的发明过程：

纪念激光器发明50年林福成大学物理2010第1期

[2]硅基拉曼激光器浅谈物理通报2010第1期

[3]美国科学家研制出波长2um超短脉冲光纤激光器光机电信息2010第1期

[4]掺杂稀土光纤激光器与激光放大器董孝义量子电子学第六卷第四期

[5]掺铒光纤放大器（EDFA）特性与技术介绍林凤华,彭俊珍科技创业月刊2007年第7期

[6]半导体光放大器非线性效应探讨王其华,张晓伏天中学刊第25卷第2期2010年4月

[7]基于半导体光放大器和光学滤波器的同相波长转换理论研究黄喜　等物理学报第2010年2月

[8]非线性光纤放大器的数学模型和实验研究周俊鹤中国博士学位论文

[9]掺铒光纤放大器及其在光纤激光器中的应用季军华硕士学位论文2007

[10]掺铒光纤放大器的研究硕士学位论文耿健2003

[11]980nm泵浦掺铒光纤放大器的增益特性及增益调制的研究邱巍等辽宁大学学报第37卷第3期2010年

[12]单纵模多环形腔掺铒光纤激光器及其稳定性张欣陈伟刘宇王欣谢亮祝宁华冯博学中国激光2007